一种类石榴状氮掺杂碳包覆锡镍合金复合材料及制备方法技术

本发明专利技术属于无机/碳复合材料合成技术领域，涉及一种类石榴状氮掺杂碳包覆锡镍合金复合材料及制备方法。所述复合材料是由外壳包覆若干内核形成类石榴状的三维纳米球结构，内核之间与外壳和内核之间有空隙，所述外壳为氮掺杂碳，所述内核为锡镍合金。制备方法包括如下步骤：采用水热法将二价镍盐、四价锡盐和碱进行共沉淀合成纳米球；利用多巴胺的自聚合反应在纳米球表面包覆聚多巴胺获得前驱体；在惰性及还原的混合气氛下，将前驱体进行退火处理，退火处理过程中进行热解及还原，即得。以本发明专利技术提供的复合材料作为锂/钠离子电池负极材料，制备的锂/钠离子电池具备优异的循环稳定性和倍率性能。性和倍率性能。性和倍率性能。

【技术实现步骤摘要】
一种类石榴状氮掺杂碳包覆锡镍合金复合材料及制备方法


[0001]本专利技术属于无机/碳复合材料合成
，涉及一种类石榴状氮掺杂碳包覆锡镍合金复合材料及制备方法。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]锡基材料虽然具有较高的比容量，但是存在离子嵌入/脱出时体积膨胀大和电极易粉化的缺陷，导致电化学稳定性和倍率性能差。据专利技术人研究了解，为了解决锡基材料在电化学过程中体积变化的问题，可以与碳材料复合，能够提高电极电导率并且能够稳定电极结构，减少电极的粉化和脱落，如专利号CN 112510177 A制备了Sn/C复合材料，但其复合电极材料堆叠，首次库仑效率仅有57％，性能较差。通过与其他金属元素或其他金属氧化物复合，引入这部分非活性金属，可以在一定程度上缓解体积膨胀，保证电极结构的稳定性，有利于电极的长循环稳定性。如CN 109378462 B制备了Co3Sn2/SnO2复合材料，相对于单一材料，其容量有较大提升，但其稳定性不能满足锂离子电池的需求，且其制备工艺复杂，合成困难。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种类石榴状氮掺杂碳包覆锡镍合金复合材料及制备方法，以本专利技术提供的复合材料作为锂/钠离子电池负极材料，制备的锂/钠离子电池具备优异的循环稳定性和倍率性能。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0006]一方面，一种类石榴状氮掺杂碳包覆锡镍合金复合材料，所述复合材料是由外壳包覆若干内核形成类石榴状的三维纳米球结构，内核之间与外壳和内核之间有空隙，所述外壳为氮掺杂碳，所述内核为锡镍合金。
[0007]与传统的单一锡基电极材料相比，Sn
‑
Ni双金属合金负极材料由于非活性金属Ni的引入，作为“缓冲体”的金属Ni能够缓冲离子嵌入/脱出时的体积变化，遏制了结构坍塌，稳定了电极结构，双金属之间的协同作用，使金属合金的活性提高，更有利于电化学反应。另外，设计构筑类石榴状的多核
‑
壳结构合金纳米复合材料，多核合金颗粒之间及多核
‑
壳之间较大的空隙能够有效的缓冲和适应体积变化，同时提供快速的离子和电子传输通道，纳米材料增大了比表面积，提供了丰富的反应位点。此外，氮掺杂碳的包覆，缓解体积膨胀的同时减少电极材料的自聚集，杂原子氮的掺杂在一定程度上提高了电导率，有利于电荷转移并提供一定的容量。因此，本专利技术所制备的纳米复合材料综合了上述优势并且加快了锂/钠离子电池的反应动力学，表现出优异的循环稳定性和倍率性能。
[0008]另一方面，一种类石榴状氮掺杂碳包覆锡镍合金复合材料的制备方法，包括如下
步骤：
[0009]采用水热法将二价镍盐、四价锡盐和碱进行共沉淀合成NiSn(OH)6纳米球；利用多巴胺的自聚合反应在NiSn(OH)6纳米球表面包覆聚多巴胺获得NiSn(OH)6@PDA纳米球前驱体；
[0010]在惰性及还原的混合气氛下，将NiSn(OH)6@PDA纳米球前驱体进行退火处理，退火处理过程中进行热解及还原，即得。
[0011]本专利技术通过水热法控制共沉淀合成NiSn(OH)6纳米球的颗粒大小，协同退火处理能够减小合金颗粒的尺寸，且得到氮掺杂碳壳的包覆，稳定了电极结构的同时防止其自聚集和电极粉化，提高了储锂/钠性能。
[0012]第三方面，一种上述类石榴状氮掺杂碳包覆锡镍合金复合材料作为锂离子电池负极或钠离子电池负极中的应用。
[0013]应用于锂离子电池负极材料时，能够展现出优异的循环稳定性、倍率性能和快速的反应动力学。应用于钠离子电池负极材料时，表现出优异的电化学性能。
[0014]第四方面，一种离子电池，所述离子电池为锂离子电池或钠离子电池，锂离子电池或钠离子电池的负极中的活性材料为上述类石榴状氮掺杂碳包覆锡镍合金复合材料。
[0015]本专利技术的有益效果为：
[0016]本专利技术中采用水热法和退火等以操作的方法设计制备了类石榴状的多核
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壳结构的Sn
‑
Ni@NC合金复合材料，双金属的协同提供了丰富的氧化还原反应位点，氮原子掺杂碳壳的包覆增大了比表面积和晶格间距在一定程度上加快了离子和电子的运输速率，并减少了电极材料的团聚，合金复合材料协同发挥各组分的优点，最主要的类石榴状的多核
‑
壳结构可以有效的抑制体积膨胀和结构坍塌，有利于电极材料结构的稳定，应用于锂离子电池和钠离子电池负极材料时，表现出优异的循环稳定性和倍率性能。
附图说明
[0017]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0018]图1为本专利技术实施示例1制备的核
‑
壳结构NiSn(OH)6@PDA纳米球前驱体的透射电镜图；
[0019]图2为本专利技术实施例2制备的类石榴状多核
‑
壳结构的Sn
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Ni@NC合金复合材料的X
‑
射线粉末衍射图；
[0020]图3为本专利技术实施例2制备的类石榴状多核
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壳结构的Sn
‑
Ni@NC合金复合材料，a为低倍率的扫描电镜图，b为高倍率的扫描电镜图，c为低倍率的透射电镜图，d为高倍率的透射电镜图；
[0021]图4为本专利技术实施例2制备的石榴状多核
‑
壳结构的Sn
‑
Ni@NC合金复合材料应用于锂离子电池时，在2.0A g
‑1电流密度下的循环性能图；
[0022]图5为本专利技术实施例2制备的石榴状多核
‑
壳结构的Sn
‑
Ni@NC合金复合材料应用于钠离子电池时，(a)在0.05～1.0A g
‑1电流密度下的倍率性能图和(b)在1.0A g
‑1电流密度下的循环性能图；
[0023]图6为本专利技术实施例3制备的不同煅烧时间下得到的Sn
‑
Ni@NC
‑
2h、Sn
‑
Ni@NC
‑
4h及
Sn
‑
Ni@NC
‑
6h的X
‑
射线粉末衍射图；
[0024]图7为本专利技术实施例3制备的不同煅烧时间下得到的(a,d)Sn
‑
Ni@NC
‑
2h、(b,e)Sn
‑
Ni@NC
‑
4h及(c,f)Sn
‑
Ni@NC
‑
6h的透射电镜图；
[0025]图8为本专利技术实施例8在(a)0.2A g
‑1电流密度下的循环性能图及在(b)0.05～1.0A g...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种类石榴状氮掺杂碳包覆锡镍合金复合材料，其特征是，所述复合材料是由外壳包覆若干内核形成类石榴状的三维纳米球结构，内核之间与外壳和内核之间有空隙，所述外壳为氮掺杂碳，所述内核为锡镍合金。2.如权利要求在一些实施例中，所述锡镍合金包括Ni
2.67
Sn2、Ni3Sn、Sn；或，纳米球的直径为400～500nm；或，外壳的厚度为60～70nm；或，内核的直径不大于200nm。3.一种类石榴状氮掺杂碳包覆锡镍合金复合材料的制备方法，其特征是，包括如下步骤：采用水热法将二价镍盐、四价锡盐和碱进行共沉淀合成NiSn(OH)6纳米球；利用多巴胺的自聚合反应在NiSn(OH)6纳米球表面包覆聚多巴胺获得NiSn(OH)6@PDA纳米球前驱体；在惰性及还原的混合气氛下，将NiSn(OH)6@PDA纳米球前驱体进行退火处理，退火处理过程中进行热解及还原，即得。4.如权利要求3所述的类石榴状氮掺杂碳包覆锡镍合金复合材料的制备方法，其特征是，二价镍盐与四价锡盐的摩尔比为1:0.9～1.1；或，所述碱为氢氧化钠、氢氧化钾或氨水。或，水热法的温度为100～140℃，反应时间为6～14h。5.如权利要求3所述的类石榴状氮掺杂碳包覆锡镍合金复合材料的制备方法，其特征是，获得NiSn(OH)6@PDA纳米球前驱体的过程为：将NiSn(OH)6纳米球分散至pH为8.0～9.0的溶液中，加入多巴...

【专利技术属性】
技术研发人员：周国伟，李欢，何妍妍，孙彬，高婷婷，王茜，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学，
类型：发明
国别省市：